Formation of oriented nickel aggregates in rutile single crystals by Ni implantation

The magnetic and electrical properties of Ni implanted single crystalline TiO2 rutile were studied for nominal implanted fluences between 0.5 x 10(17) cm(-2) and 2.0 x 10(17) cm(-2) with 150 keV energy, corresponding to maximum atomic concentrations between 9 at% and 27 at% at 65 nm depth, in order to study the formation of metallic oriented aggregates. The results indicate that the as implanted crystals exhibit superparamagnetic behavior for the two higher fluences, which is attributed to the formation of nanosized nickel clusters with an average size related with the implanted concentration, while only paramagnetic behavior is observed for the lowest fluence. Annealing at 1073 K induces the aggregation of the implanted nickel and enhances the magnetization in all samples. The associated anisotropic behavior indicates preferred orientations of the nickel aggregates in the rutile lattice consistent with Rutherford backscattering spectrometry-channelling results. Electrical conductivity displays anisotropic behavior but no magnetoresistive effects were detected. (C) 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

White luminescence from Si+ and C+ ion-implanted SiO2 films

The microstructural and optical analysis of SiO2 layers emitting white luminescence is reported. These structures have been synthesized by sequential Si+ and C+ ion implantation and high-temperature annealing. Their white emission results from the presence of up to three bands in the photoluminescence (PL) spectra, covering the whole visible spectral range. The microstructural characterization reveals the presence of a complex multilayer structure: Si nanocrystals are only observed outside the main C-implanted peak region, with a lower density closer to the surface, being also smaller in size. This lack of uniformity in their density has been related to the inhibiting role of C in their growth dynamics. These nanocrystals are responsible for the band appearing in the red region of the PL spectrum. The analysis of the thermal evolution of the red PL band and its behavior after hydrogenation shows that carbon implantation also prevents the formation of well passivated Si/SiO2 interfaces. On the other hand, the PL bands appearing at higher energies show the existence of two different characteristics as a function of the implanted dose. For excess atomic concentrations below or equal to 10%, the spectra show a PL band in the blue region. At higher doses, two bands dominate the green¿blue spectral region. The evolution of these bands with the implanted dose and annealing time suggests that they are related to the formation of carbon-rich precipitates in the implanted region. Moreover, PL versus depth measurements provide a direct correlation of the green band with the carbon-implanted profile. These PL bands have been assigned to two distinct amorphous phases, with a composition close to elemental graphitic carbon or stoichiometric SiC.

Estudo da labilidade de Cu(II), Cd(II), Mn(II) e Ni(II) em substâncias húmicas aquáticas utilizando-se membranas celulósicas organomodificadas

In this work commercial filters papers were organomodified with tetraethylorthosilicate (TEOS) and 3-aminopropyltriethoxysilane (3-APTS), aiming at the development of a new analytical procedure for in-situ speciation of labile and inert metal species in aquatic systems. Parameters that exert influence on the metal lability such as pH, chelating time, concentration and characteristics of the organic matter were studied in the laboratory using tests for metal recuperation. The results showed slower kinetics for Cu ion than for Ni, Mn and Cd in the absence of aquatic humic substances (AHS). The relative lability observed for complexed metals in aquatic humic substances using organomodified filter papers was Cu>>Cd>Ni>Mn. The pH values, structural characteristics and concentration of AHS exert strong influence on the lability of the metals. The results obtained showed that the utilization of organomodified filter papers can be an interesting and promising alternative for in situ characterization of metal lability in aquatic systems.

Mécanismes de déformation de nanoparticules d’Au par irradiation ionique

Résumé Dans la présente thèse, nous avons étudié la déformation anisotrope par bombardement ionique de nanoparticules d'or intégrées dans une matrice de silice amorphe ou d'arséniure d’aluminium cristallin. On s’est intéressé à la compréhension du mécanisme responsable de cette déformation pour lever toute ambigüité quant à l’explication de ce phénomène et pour avoir une interprétation consistante et unique. Un procédé hybride combinant la pulvérisation et le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma a été utilisé pour la fabrication de couches nanocomposites Au/SiO2 sur des substrats de silice fondue. Des structures à couches simples et multiples ont été obtenues. Le chauffage pendant ou après le dépôt active l’agglomération des atomes d’Au et par conséquent favorise la croissance des nanoparticules. Les nanocomposites Au/AlAs ont été obtenus par implantation ionique de couches d’AlAs suivie de recuit thermique rapide. Les échantillons des deux nanocomposites refroidis avec de l’azote liquide ont été irradiés avec des faisceaux de Cu, de Si, d’Au ou d’In d’énergie allant de 2 à 40 MeV, aux fluences s'étendant de 1×1013 à 4×1015 ions/cm2, en utilisant le Tandem ou le Tandetron. Les propriétés structurales et morphologiques du nanocomposite Au/SiO2 sont extraites en utilisant des techniques optiques car la fréquence et la largeur de la résonance plasmon de surface dépendent de la forme et de la taille des nanoparticules, de leur concentration et de la distance qui les séparent ainsi que des propriétés diélectriques du matériau dans lequel les particules sont intégrées. La cristallinité de l’arséniure d’aluminium est étudiée par deux techniques: spectroscopie Raman et spectrométrie de rétrodiffusion Rutherford en mode canalisation (RBS/canalisation). La quantité d’Au dans les couches nanocomposites est déduite des résultats RBS. La distribution de taille et l’étude de la transformation de forme des nanoparticules métalliques dans les deux nanocomposites sont déterminées par microscopie électronique en transmission. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail ont fait l’objet de trois articles de revue. La première publication montre la possibilité de manipuler la position spectrale et la largeur de la bande d’absorption des nanoparticules d’or dans les nanocomposites Au/SiO2 en modifiant leur structure (forme, taille et distance entre particules). Les nanoparticules d’Au obtenues sont presque sphériques. La bande d’absorption plasmon de surface (PS) correspondante aux particules distantes est située à 520 nm. Lorsque la distance entre les particules est réduite, l’interaction dipolaire augmente ce qui élargit la bande de PS et la déplace vers le rouge (602 nm). Après irradiation ionique, les nanoparticules sphériques se transforment en ellipsoïdes alignés suivant la direction du faisceau. La bande d’absorption se divise en deux bandes : transversale et longitudinale. La bande correspondante au petit axe (transversale) est décalée vers le bleu et celle correspondante au grand axe (longitudinale) est décalée vers le rouge indiquant l’élongation des particules d’Au dans la direction du faisceau. Le deuxième article est consacré au rôle crucial de la déformation plastique de la matrice et à l’importance de la mobilité des atomes métalliques dans la déformation anisotrope des nanoparticules d’Au dans les nanocomposites Au/SiO2. Nos mesures montrent qu'une valeur seuil de 2 keV/nm (dans le pouvoir d'arrêt électronique) est nécessaire pour la déformation des nanoparticules d'or. Cette valeur est proche de celle requise pour la déformation de la silice. La mobilité des atomes d’Au lors du passage d’ions est confirmée par le calcul de la température dans les traces ioniques. Le troisième papier traite la tentative de formation et de déformation des nanoparticules d’Au dans une matrice d’arséniure d’aluminium cristallin connue pour sa haute résistance à l’amorphisation et à la déformation sous bombardement ionique. Le résultat principal de ce dernier article confirme le rôle essentiel de la matrice. Il s'avère que la déformation anisotrope du matériau environnant est indispensable pour la déformation des nanoparticules d’or. Les résultats expérimentaux mentionnés ci-haut et les calculs de températures dans les traces ioniques nous ont permis de proposer le scénario de déformation anisotrope des nanoparticules d’Au dans le nanocomposite Au/SiO2 suivant: - Chaque ion traversant la silice fait fondre brièvement un cylindre étroit autour de sa trajectoire formant ainsi une trace latente. Ceci a été confirmé par la valeur seuil du pouvoir d’arrêt électronique. - L’effet cumulatif des impacts de plusieurs ions conduit à la croissance anisotrope de la silice qui se contracte dans la direction du faisceau et s’allonge dans la direction perpendiculaire. Le modèle de chevauchement des traces ioniques (overlap en anglais) a été utilisé pour valider ce phénomène. - La déformation de la silice génère des contraintes qui agissent sur les nanoparticules dans les plans perpendiculaires à la trajectoire de l’ion. Afin d’accommoder ces contraintes les nanoparticules d’Au se déforment dans la direction du faisceau. - La déformation de l’or se produit lorsqu’il est traversé par un ion induisant la fusion d’un cylindre autour de sa trajectoire. La mobilité des atomes d’or a été confirmée par le calcul de la température équivalente à l’énergie déposée dans le matériau par les ions incidents. Le scénario ci-haut est compatible avec nos données expérimentales obtenues dans le cas du nanocomposite Au/SiO2. Il est appuyé par le fait que les nanoparticules d’Au ne se déforment pas lorsqu’elles sont intégrées dans l’AlAs résistant à la déformation.

Défauts et diffusion dans le silicium amorphe

Nous avons observé une augmentation ‘’transient’’du taux de cristallisation interfacique de l’a-Si lorsqu’on réimplante du Si à proximité de l’interface amorphe/cristal. Après amorphisation et traitement thermique à 650°C pendant 5s de la couche a-Si crée par implantation ionique, une partie a été réimplantée. Les défauts produits par auto-réimplantation à 0.7MeV se trouvent à (302±9) nm de l’interface initiale. Cela nous a permis d’étudier d’avantage la variation initiale de la vitesse SPE (Épitaxie en phase solide). Avec des recuit identiques de 4h à 500°C, nous avons déterminé les positions successives des interfaces et en déduit les taux de cristallisation SPE. La cristallisation débute à l’interface et continue graduellement vers la surface. Après le premier recuit, (252±11) nm s’est recristallisé dans la zone réimplantée soit un avancement SPE de 1.26x10^18at./cm2. Cette valeur est environ 1.50 fois plus importante que celle dans l’état relaxé. Nous suggérons que la présence de défauts à proximité de l’interface a stimulé la vitesse initiale. Avec le nombre de recuit, l’écart entre les vitesses diminue, les deux régions se cristallisent presque à la même vitesse. Les mesures Raman prises avant le SPE et après chaque recuit ont permis de quantifier l’état de relaxation de l’a-Si et le transfert de l’état dé-relaxé à relaxé.

Réduction de la durée de vie des porteurs de charge dans le silicium noir par implantation ionique

Le but de ce projet est d’étudier l’effet des défauts cristallins sur les propriétés optoélectroniques de photodétecteurs fabriqué à partir de « silicium noir », c’est-à-dire du silicium dopé et microstructuré par impulsions laser femtoseconde, ce qui lui donne une apparence noire mate caractéristique. Des échantillons de silicium noir ont été recuits puis implantés avec des ions ayant une énergie de 300 keV (Si+), 1500 keV (Si+) ou 2000 keV (H+). Trois fluences pour chaque énergie d’implantation ont été utilisées (1E11, 1E12, ou 1E13 ions/cm2) ce qui modifie le matériau en ajoutant des défauts cristallins à des profondeurs et concentrations variées. Neuf photodétecteurs ont été réalisés à partir de ces échantillons implantés, en plus d’un détecteur-contrôle (non-implanté). La courbe de courant-tension, la sensibilité spectrale et la réponse en fréquence ont été mesurées pour chaque détecteur afin de les comparer. Les détecteurs ont une relation de courant-tension presque ohmique, mais ceux implantés à plus haute fluence montrent une meilleure rectification. Les implantations ont eu pour effet, en général, d’augmenter la sensibilité des détecteurs. Par exemple, l’efficacité quantique externe passe de (0,069±0,001) % à 900 nm pour le détecteur-contrôle à (26,0±0,5) % pour le détecteur ayant reçu une fluence de 1E12 cm-2 d’ions de silicium de 1500 keV. Avec une tension appliquée de -0,50 V, la sensibilité est améliorée et certains détecteurs montrent un facteur de gain de photocourant supérieur à l’unité, ce qui implique un mécanisme de multiplication (avalanche ou photoconductivité). De même, la fréquence de coupure a été augmentée par l’implantation. Une technique purement optique a été mise à l’essai pour mesurer sans contacts la durée de vie effective des porteurs, dans le but d’observer une réduction de la durée de vie causée par les défauts. Utilisant le principe de la réflexion photo-induite résolue en fréquence, le montage n’a pas réuni toutes les conditions expérimentales nécessaires à la détection du signal.

Non-Destructive Evaluation of Ion-Implanted Semiconductor Thin Films Using Photothermal Deflections Spectroscopy

Materials and equipment which fail to achieve the design requirements or projected life due to undetected defects may require expensive repair or early replacement. Such defects may also be the cause of unsafe conditions or catastrophic unexpected failure, and will lead to loss of revenue due to plant shutdown. Non-Destructive Evaluation (NDE) / Non Destructive Testing (NDT) is used for the examination of materials and components without changing or destroying their usefulness. NDT can be applied to each stage of a system’s construction, to monitor the integrity of the system or structure throughout its life.

Optical absorption studies in ion implanted and amorphous semiconductors - Investigations in some tetrahedrally co-ordinated and chalcogenide materials

The thesis provides an overall review and introduction to amorphous semiconductors, followed by a brief discussion on the important structural models proposed for chalcogenide glasses and their electrical, optional and thermal properties. It also gives a brief description of the Physics of thin films, ion implantation and Photothermal Deflection Spectroscopy. A brief description of the experimental setup of a photothermal deflection spectrometer and the details of the preparation and optical characterization of the thin film samples. It deals with the employment of the subgap optional absorption measurement by PDS to characterize the defects, amorphization and annealing behavior in silicon implanted with B+ ions and the profiles of ion range and vacancy distribution obtained by the TRIM simulation. It reports the results of all absorption measurements by PDS in nitrogen implanted thin film samples of Ge-Se and As-Se systems

Estudo da labilidade de Cu(II), Cd(II), Mn(II) e Ni(II) em substâncias húmicas aquáticas utilizando-se membranas celulósicas organomodificadas

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Effect of helium implantation on the properties of plasma polymer films

Polymer films, deposited from acetylene and argon plasma mixtures, were bombarded with 150 keV He+ ions, varying the fluence, Phi, from 10(18) to 10(21) ions/m(2). Molecular structure and optical gap of the samples were investigated by infrared and ultraviolet-visible spectroscopies, respectively. Two-point probe was employed to determine the electrical resistivity while hardness was measured by nanoindentation technique. It was verified modification of the molecular structure and composition of the films. There was loss of H and increment in the concentration of unsaturated carbon bonds with Phi. Optical gap and electrical resistivity decreased while hardness increased with Phi. Interpretation of these results is proposed in terms of chain crosslinking and unsaturation. (C) 2002 Elsevier B.V. B.V. All rights reserved.

Treatment of PVC using an alternative low energy ion bombardment procedure

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

The effect of N+ ion energy on the properties of ion bombarded plasma polymer films

This work describes the influence of the ion bombardment on the electrical, optical and mechanical properties of polymer films deposited from radio-frequency plasmas of benzene. Irradiations were conducted using N+ at 5 x 10(19) ions/m(2), varying the ion energy, E-0, from 0 to 150 keV. Film elemental composition was determined by Rutherford backscattering spectroscopy. Electrical resistivity and hardness were obtained by the two-point probe and nanoindentation technique, respectively. Ultraviolet-visible spectroscopy was employed to investigate the optical constants of the samples. Etching rate was determined by exposure of the films to reactive oxygen plasmas. Ion bombardment induced gradual loss of H and increase in C and O concentrations with Eo. As a consequence the electrical, optical and mechanical properties were drastically affected. Interpretation of these results is proposed in terms of chain cross-linking and unsaturation. (C) 2001 Elsevier B.V. B.V. All rights reserved.

Effects of helium ion irradiation on fluorinated plasma polymers

The effects of ion irradiation on fluorinated plasma polymer films are investigated using profilometry, surface contact-angle measurements, infrared reflection absorption spectroscopy (IRRAS) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Remarkably, helium plasma immersion ion implantation (PIII) of several amorphous hydrogenated fluorinated plasma polymers deposited from C(2)H(2)-SF(6), C(6)H(6)-SF(6) or C(6)F(6) produces film compactions of up to 40%, and modifies the surface energy in the 35 to 65 dyn cm(-1) range. As revealed by IRRAS and XPS, the films contain C-H, C-C, C=C, C=O, O-H and C-F groups. XPS spectra confirm the presence of N (typically similar to 5%). The films produced from SF(6)-containing plasmas also contain S. For irradiation times of 80 min, the film carbon content is increased, and the fluorine content is greatly reduced, by factors of about 3 to 15, depending on the initial film composition. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Ion beam analysis of a-C:H films on alloy steel substrate

An a-C:H thin film deposited by plasma immersion ion implantation and deposition on alloy steel (16MnCr5) was analyzed using a self-consistent ion beam analysis technique.In the self-consistent analysis, the results of each individual technique are combined in a unique model, increasing confidence and reducing simulation errors.Self-consistent analysis, then, is able to improve the regular ion beam analysis since several analyses commonly used to process ion beam data still rely on handling each spectrum independently.The sample was analyzed by particle-induced x-ray emission (for trace elements), elastic backscattering spectrometry (for carbon), forward recoil spectrometry (for hydrogen) and Rutherford backscattering spectrometry (for film morphology).The self-consistent analysis provided reliable chemical information about the film, despite its heavy substrate.As a result, we could determine precisely the H/C ratio, contaminant concentration and some morphological characteristics of the film, such as roughness and discontinuities.© 2013 Elsevier B.V.All rights reserved.